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耐火材料行業知識

浮法玻璃熔窯的最佳保溫節能模式

  導讀:本文研究了熔窯在生產過程中的傳熱機理, 通過建立一個忽略了孔口輻射等客觀條件對熔窯散熱量影響的玻璃熔窯理想模型, 得到可以量化熔窯散熱量的計算方法。研究表明:因熔窯外壁保溫層性能欠缺而向周圍環境的散熱損失是現有熔窯熱耗較高的主要因素。運用得到的理論計算公式, 可以準確地配置熔窯節能保溫所需的保溫材料種類、用量及其規格。通過在某玻璃熔窯上實際應用, 對計算的結果與實測結果進行對比分析, 驗證了理論計算公式的正確性。
  引言
  熔窯是玻璃廠主要耗能設備, 其能耗占全廠的80%左右。玻璃熔窯的熱量約有30%消耗在窯體散熱上, 主要熱損失方式為表層散熱;因此, 浮法玻璃熔窯的保溫一直被視作玻璃生產過程中一條行之有效的節能降耗措施。據統計, 窯體保溫后, 可減少散熱25~30%, 節約燃料7~15%。另外, 窯池保溫還可提高玻璃液溫度、縮短熔化時間、增加澄清因子、降低火焰溫度, 同時, 它也增加了回流以及微小氣泡 (半徑小0.1mm) 隨出料流流出池窯的可能性。
  影響熔窯散熱的因素有窯體的外表面溫度和環境溫度, 窯體外表面溫度的降低, 就意味著散熱損失的降低, 而窯體外表面溫度和熔窯結構及保溫材料密切相關。相對于傳統保溫技術, 熔窯全保溫技術可使熔窯外表面溫度降至80℃以下, 散熱損失減少80%以上, 節能效果明顯。玻璃熔窯亦可進行二次保溫, 可大幅度降低表面溫度。保溫后窯體外表面溫度和保溫材料本身有很大關系, 保溫材料的導熱系數越低, 保溫效果越好。
  目前, 對于熔窯熱力學計算模型已有相關研究, 但是主要集中在窯爐整體散熱方面, 而計算窯體外表面溫度的理論模型相對較少, 窯體外表面溫度是進行熔窯保溫設計以及計算散熱量的重要依據。因此本文通過分析熱力學平衡方程式, 從理論上探討計算窯體外表面溫度的理論途徑。本文著重于先確定傳熱系數與外表面溫度和表面散熱量的關系, 提出最優的窯體保溫材料配置方案, 對熔窯保溫技術以及保溫材料選擇具有理論指導意義。
  熔窯散熱量理論研究
  為了確定各層保溫材料的冷面溫度以及散熱量, 分析節能效果, 需要進行全面的熱量平衡計算。
  理論模型假設: (1) 窯內高溫氣體傳熱方式為對流換熱和輻射換熱; (2) 窯體各層材料之間只存在傳導傳熱; (3) 窯體外壁與周圍環境只存在對流換熱; (4) 耐火保溫材料之間緊密接觸; (5) 忽略換料等因素對換熱的影響。
  2.1 熔窯內壁保溫單元之間的熱量傳遞過程
  式中:qi為單位表面積單位時間的散熱量/W·m-2;ki為第i層保溫單元的傳熱系數/W·m-2·℃-1;λi為第i層保溫單元的導熱系數/W·m-1·℃-1, λi=ai+bit;xi為第i層保溫單元的厚度/m;ti為第i層保溫單元與第i+1層保溫單元之間的界面溫度/℃。
  2.2 熔窯外壁向周圍環境的傳熱過程
  2.3 熱平衡原理
  當以上傳熱過程達到熱平衡后,當熔窯的內壁溫度、環境溫度、各層的厚度和保溫材料傳熱系數確定時, 用迭代法, 運用VB編寫程序就可以求得該模型近似解, 得到各層保溫材料的表面溫度和窯體表面溫度, 從而計算散熱量。
  3.1 表面溫度與散熱量之間的影響
  由以上分析可知, 對于一定的窯型而言, 影響熔窯整體散熱量的主要因素是環境溫度、表面積和保溫材料性能參數 (如:傳熱系數) 。本文利用推導所得的理論計算公式, 通過改變表面溫度, 計算保溫前后散熱量差異, 研究不同表面溫度對保溫效果的影響 (以保溫前表面溫度為200℃為基準) 。
  通過理論公式計算保溫前后表面溫度每降低20℃, 都會引起散熱量的大幅度降低, 理論上甚至達到80%以上, 根據熔窯節能和實際生產的要求, 經加強保溫后散熱量約減少50%。因此, 引入有效的新型保溫技術或新型保溫材料, 對熔窯節能是非常行之有效的。
  3.2 理論公式計算實例
  以某公司熔化部碹頂保溫為實例, 研究計算固定保溫層下外表面溫度。
  假設窯內溫度t為1600℃, 外部溫度ta為50℃。已知散熱位置系數Aw在頂部處, 取2.8, 當傳熱達到平衡時, 根據上述熱力學平衡式各層材料視為一個整體, 各層材料的傳熱系數通過調和平均數的計算方法得到整體平均傳熱系數。
  通過迭代計算法, 利用VB編程該方程, 求解該方程表面溫度123.3℃。同時已知外表面溫度情況下, 可利用公式求解窯體散熱量1225.7W·m-2。
  3.3 熔窯二次保溫節能效益評估計算
  以某公司采用新型保溫材料進行二次保溫的熔窯為例, 經過模擬計算, 提出使用鈦鈉硅高效保溫復合層納米絕熱保溫材料作為二次保溫材料, 該保溫復合層主要由微晶纖維毯層 (一層厚度:50mm) 、酸鋁纖維毯層 (兩層, 每層厚度:6mm, 共計12mm) 、高效保溫氣凝膠層 (三層, 每層厚度:6mm, 共計18mm) 復合構成, 實施于原窯體的保溫輕質硅磚外側, 緊貼保溫輕質硅磚;然后在復合層表面再覆蓋鍍鋅鐵皮 (一層厚度0.4mm) , 完成施工。
  已知環境溫度為50℃, 通過模擬計算與現場實測的溫度參數, 保溫前后外表面溫度及散熱量等具體參數如表3所示。
  表3 保溫參數計算
  熔窯保溫后節能率測算如下:
  (1) 復合節能保溫后散熱量減少量:
  2528284-1217977=1310307kcal/h
  (2) 熔窯輸入的總熱量:
  已知:單耗1500kcal/kg玻璃液;平均拉引量600t/d。則輸入熔窯的總熱量為:
  1500×600×1000=900000000kcal/d
  (3) 節能率:
  (1310307×24÷900000000)×100%=3.5%
  熔窯總節能率是衡量一座窯爐能耗是否節能的重要指標, 通過模擬計算二次保溫后的節能率達到3.5%, 但是在實際生產過程中, 由于熔窯本身存在孔口輻射、保溫部位熱橋效應等客觀因素, 使得節能率肯定會略有降低, 實測實際節能率約為3.24%。
  通過對模擬計算公式的分析, 以及二次保溫后熔窯內部溫度的測量, 熔窯保溫后散熱量的降低, 冷面溫度的下降, 但熔窯內部溫度變化甚微, 因此窯齡并不會受到影響。
  結論
  1.通過簡化熔窯結構材料傳熱的理想模型, 并且結合熱工原理推導出適用于熔窯熱工環境的計算公式, 最后使用VB程序, 將各個影響熔窯散熱量的主要因素進行編程計算, 最后得到模擬計算結果, 計算結果驗證了理論計算公式的可行性。
  2.通過總結熱力學平衡式得出表面溫度的理論公式, 分析表面溫度與散射量的對應關系, 表面溫度降低60℃, 理論上可降低散射量50%以上。
  3.在某公司的一座熔窯上, 以及對熔窯散熱量的測算, 預估得節能率為3.5%;施工完成實測節能率為3.24%, 達到了節能降耗的目的。


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